DE102007007960C5 - piston ring - Google Patents

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Abstract

A piston ring, having a base body, which comprises a substantially circumferential running surface, which has an upper and a lower flank surface, an inner circumferential surface, and a butt opening provided with defined butt clearance, wherein the transition of the running surface butt edge into the respective butt surface is configured as a sharp edge, and the running surface is provide with at least one PVD cover layer ≰10 μm at least up to the respective running surface butt edge.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche, eine innere Umfangsfläche sowie eine, ein definiertes Stoßspiel aufweisende Stoßöffnung aufweist.The invention relates to a piston ring, having a base body, which has a substantially circumferential running surface, an upper and a lower flank surface, an inner peripheral surface and a, a defined impact play having shock opening.

Neben dem Stoßspiel ist die Größe des Stoßkantenbruches von deutlichem Einfluss auf die Menge des durch die Stoßöffnung strömenden Gases. Aus diesem Grund sind die Maße beider Merkmale so gering wie möglich zu halten. Während die Größe des Stoßspieles unter anderem von der Wärmeausdehnung des Kolbenringwerkstoffes und der Prozesssicherheit der Schneidvorgänge abhängt, ist für die Größe des Stoßkantenbruches die Ausbruchsicherheit der Laufflächenbeschichtung bzw. die Rissbildungsneigung der Verschleißschutzschicht von entscheidender Bedeutung.In addition to the impact play, the size of the impact edge breakage has a significant influence on the amount of gas flowing through the butt hole. For this reason, the dimensions of both features should be kept as low as possible. While the size of the impact clearance depends, inter alia, on the thermal expansion of the piston ring material and the process reliability of the cutting operations, the breakout resistance of the tread coating or the tendency of the wear protection layer to crack is of crucial importance for the size of the edge impact fracture.

Unabhängig davon, ob die jeweilige Laufflächenbeschichtung in einem galvanischen oder thermischen Spritzprozess aufgebracht wird, oder ob es sich um eine verschleißfeste Oberflächenschicht handelt, die durch eine Nitrierbehandlung erzeugt wurde, hängt die Ausbruchsicherheit bzw. Neigung zur Rissbildung ganz entscheidend von der Dicke der aufgebrachten bzw. gebildeten Schicht ab.Regardless of whether the respective tread coating is applied in a galvanic or thermal spraying process, or whether it is a wear-resistant surface layer, which was produced by a nitriding treatment, the onset of cracking depends very crucially on the thickness of the applied or from the layer formed.

Hier ist nun ein Zielkonflikt gegeben, da für ausreichenden Verschleißschutz laufflächenseitig eine dickere Schicht benötigt wird, für die Ausbruchsicherheit bzw. geringe Rissbildungsneigung jedoch eine dünnere Schicht vorteilhaft ist.Here is a conflict of objectives, since sufficient wear protection on the tread side, a thicker layer is needed for the outbreak safety or low tendency to crack but a thinner layer is advantageous.

Der DE 21 35 338 A ist ein Kolbenring für Kolben von Verbrennungskraftmaschinen zu entnehmen, bestehend aus einem Eisenwerkstoff, dessen Lauffläche mit einer den Verschleiß herabsetzenden Schicht überzogen und dessen kolbenkronenseitige Laufflächenkante verrundet oder angefast ist. Wensigstens die kolbenschaftseitige Laufflächenkante ist zumindest in den an den Stoß angrenzenden Bereichen scharfkantig ausgebildet, wobei der übrige Teil verrundet oder angefast ist. Die scharfkantigen Bereiche der kolbenschaftseitigen Laufflächenkante besitzen jeweils eine Länge von 1 bis 40 mm, wobei die kolbenschaftseitige Laufflächenkante auch auf ihrem ganzen Umfang scharfkantig ausgebildet sein kann. Die Lauffläche selbst ist hartverchromt.Of the DE 21 35 338 A is to remove a piston ring for pistons of internal combustion engines, consisting of a ferrous material whose tread coated with a wear-reducing layer and whose piston crown side tread edge is rounded or chamfered. At least the piston shaft-side tread edge is formed sharp-edged at least in the areas adjoining the joint, wherein the remaining part is rounded or chamfered. The sharp-edged portions of the piston shaft side tread edge each have a length of 1 to 40 mm, wherein the piston shaft side tread edge can be formed sharp-edged on its entire circumference. The tread itself is hard chromed.

Durch die DE 100 11 917 A1 ist ein Kolbenring mit einer Verschleißschutzschicht bekannt geworden, die im Wesentlichen aus den Elemeten Titan, Bor und Stickstoff zusammengesetzt ist und nach dem PVD oder CVD-Verfahren auf die Lauffläche aufgebracht wurde. Die Schichtdicke soll maximal 100 μm, insbsondere 5 bis 50 μm betragen.By the DE 100 11 917 A1 For example, a piston ring has been disclosed having a wear protection layer composed essentially of the elements titanium, boron and nitrogen and applied to the tread by the PVD or CVD method. The layer thickness should be a maximum of 100 microns, in particular 5 to 50 microns.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring dahingehend weiterzubilden, dass zur Vermeidung von Stoßkantenausbrüchen eine andersartige Laufflächenbeschichtung bereitgestellt wird, dies einhergehend mit konstruktiven Änderungen im Bereich der Stoßöffnung.The invention has the object of developing a piston ring to the effect that a different type of tread coating is provided to avoid Stoßkantenausbrüchen, this along with design changes in the area of the shock opening.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche, eine innere Umfangsfläche sowie eine, mit einem definierten Stoßspiel versehene, Stoßöffnung aufweist, wobei der Übergang der Laufflächenstoßkante in die jeweilige Stoßfläche als scharfe Kante ausgebildet und die Lauffläche zumindest bis zur jeweiligen Laufflächenstoßkante mit mindestens einer auf Basis von CrN und/oder CrON ausgebildeten PVD-Deckschicht 0,5–≤ 10 μm versehen ist.This object is achieved by a piston ring having a base body, which has a substantially circumferential running surface, an upper and a lower flank surface, an inner peripheral surface and a, provided with a defined shock play, shock opening, wherein the transition of the tread edge into the respective impact surface formed as a sharp edge and the tread is provided at least to the respective tread edge with at least one formed on the basis of CrN and / or CrON PVD coating layer 0.5-≤ 10 microns.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche, eine innere Umfangsfläche sowie eine, mit einem definierten Stoßspiel versehene, Stoßöffnung aufweist, wobei der Übergang der Laufflächenstoßkante in die jeweilige Stoßfläche als scharfe Kante ausgebildet und die Lauffläche zumindest bis zur jeweiligen Laufflächenstoßkante mit mindestens einer auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppen IVb bis VIb des Periodensystems mit oder ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O bestehenden PVD-Deckschicht 0,5–≤ 10 μm versehen ist.The object is also achieved by a piston ring having a base body, which has a substantially circumferential running surface, an upper and a lower flank surface, an inner peripheral surface and a, provided with a defined shock play, shock opening, wherein the transition of the tread edge into the respective Shock surface formed as a sharp edge and the tread at least up to each tread edge with at least one based on nitrides of the elements of groups IVb to VIb of the periodic table with or without the addition of Al and / or Si and / or C and / or O existing PVD Cover layer 0.5-≤ 10 microns is provided.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the subject invention can be found in the dependent claims.

Bei der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Beschichtung der Lauffläche des Kolbenringes durch Abscheidung aus der Dampfphase erfolgt. Das abzuscheidende Beschichtungsmaterial liegt dabei als ionisierter Teilchenstorm vor.PVD (Physical Vapor Deposition) coating is a process in which the coating of the tread of the piston ring is carried out by deposition from the vapor phase. The deposited coating material is present as ionized Teilchenstorm.

Durch das PVD-Verfahren abgeschiedene Deckschichten werden bevorzugt auf Basis von CrN, CrON, TiN, SiN oder SiC ausgebildet, die sehr hart oder somit verschleißarm sind. Aus diesem Grund können derartige Schichten 0,5–≤ 10 μm entweder unmittelbar auf dem Grundkörper oder aber mindestens einer darauf aufgebrachten Verschleißschutzschicht abgeschieden werden.Coating layers deposited by the PVD process are preferably formed on the basis of CrN, CrON, TiN, SiN or SiC, which are very hard or thus wear-resistant. For this reason, such layers can be deposited 0.5-.ltoreq.10 .mu.m either directly on the base body or at least on a wear protection layer applied thereto.

Hiermit geht als weiterer Vorteil ein, dass auch die jeweilige Verschleißschutzschicht von ihrer Dicke her geringer als bisher gehalten werden kann, wobei bevorzugte Dicken ≤ 15 μm, insbesondere 5 bis 10 μm, angestrebt werden.This has the further advantage that the respective wear protection layer can be kept smaller in thickness than heretofore, with preferred thicknesses ≦ 15 μm, in particular 5 to 10 μm, being sought.

Infolge der gering dimensionierten PVD-Deckschicht ist es nun möglich, sehr scharfe Kanten an den Stoßenden des Kolbenringes auszubilden, sodass der Stoßkantenausbruch im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik wesentlich reduziert werden kann, dergestalt, dass eine erhöhte Ausbruchsicherheit der Laufflächenschicht, insbesondere im kritischen Stoßbereich, gegeben ist.As a result of the small-sized PVD cover layer, it is now possible to form very sharp edges at the butt ends of the piston ring, so that the impact edge eruption can be significantly reduced, in contrast to the prior art, such that increased escape safety of the tread layer, especially in the critical impact area , given is.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der eingangs angesprochene Zielkonflikt überwunden, da PVD-Deckschichten allein oder als Deckschicht auf sehr dünnen galvanischen, thermischen oder durch Nitrieren erzeugten Verschleißschutzschichten, selbst bei sehr geringer Dicke, einen für die Beanspruchung in modernen Brennkraftmaschinen ausreichenden Verschleißschutz gewährleisten.By the measures according to the invention, the above-mentioned conflict of objectives is overcome, since PVD cover layers alone or as a cover on very thin galvanic, thermal or nitriding wear protection layers, even with very small thickness, ensure sufficient for the stress in modern internal combustion wear protection.

Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß kann die PVD-Deckschicht auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppen IVb bis VIb des Periodensystems erzeugt werden. Dies kann wahlweise mit bzw. ohne Zusatz der Elemente Al und/oder Si und/oder C und/oder O erfolgen.According to a further aspect of the invention, the PVD cover layer can be produced on the basis of nitrides of the elements of groups IVb to VIb of the periodic table. This can be done either with or without the addition of the elements Al and / or Si and / or C and / or O.

Von besonderem Vorteil sind so genannte DLC(diamond-like-carbon)-Beschichtungen, die auf die Lauffläche von Kolbenringen im PVD-Verfahren aufgebracht werden. Sie bilden besonders verschleißfeste Oberflächen mit niedrigem Reibungskoeffizienten. DLC-Schichten weisen darüber hinaus eine gute Haftung auf dem Grundkörper und eine hohe Bruchfestigkeit auf.Of particular advantage are so-called DLC (diamond-like-carbon) coatings, which are applied to the tread of piston rings in the PVD process. They form particularly wear-resistant surfaces with a low coefficient of friction. In addition, DLC coatings have good adhesion to the body and high resistance to breakage.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben.The subject invention is illustrated by means of an embodiment in the drawing and will be described as follows.

Die einzige Figur zeigt in der Draufsicht zwei angedeutete Kolbenringhälften eines aus Stahl, Stahl- oder Grauguss bestehenden Kolbenringes 1, 1'. Erkennbar ist die Lauffläche 2, 2', die innere Umfangsfläche 3, 3', die obere Flankenfläche 4, 4' sowie eine Stoßöffnung 5 mit definiertem Stoßspiel a. Der Übergang der Laufflächenstoßkante 6, 6' in die Stoßfläche 7, 7' ist als scharfe Kante ausgebildet.The single figure shows in plan view two indicated piston ring halves of a steel, steel or gray cast iron piston ring 1 . 1' , Visible is the tread 2 . 2 ' , the inner peripheral surface 3 . 3 ' , the upper flank surface 4 . 4 ' as well as a shock opening 5 with defined shock play a. The transition of the tread joint edge 6 . 6 ' in the impact area 7 . 7 ' is designed as a sharp edge.

Der Kolbenring 1 ist in diesem Beispiel lediglich mit einer PVD-Deckschicht 8 versehen, die auf Basis von CrN ausgebildet ist und eine Schichtdicke von 10 μm aufweist. Andere Materialien, wie z. B. CrON, sind ebenfalls denkbar, wobei der Fachmann die geeignete Werkstoffauswahl in Abhängigkeit vom Anwendungsfall vornehmen wird.The piston ring 1 is in this example only with a PVD topcoat 8th provided, which is based on CrN and has a layer thickness of 10 microns. Other materials, such. B. CrON, are also conceivable, the skilled person will make the appropriate choice of material depending on the application.

Der Kolbenring 1' weist auf seiner Lauffläche 2' eine Verschleißschutzschicht 9' auf, auf welcher eine PVD-Deckschicht 8' abgeschieden ist. Die Verschleißschutzschicht 9' soll in diesem Beispiel eine Nitrierschicht mit einer Dicke von 30 μm sein, während die PVD-Deckschicht 8' auf Basis von CrON ausgebildet ist. Die PVD-Deckschicht 8' hat in diesem Beispiel eine Schichtdicke von 8 μm. Auch hier sind – wie zuvor angesprochen – alternative PVD-Deckschichten denkbar. Gleiches gilt auch für die Verschleißschutzschicht 9', die bedarfsweise galvanisch oder thermisch auf die Lauffläche 2' aufgebracht werden kann.The piston ring 1' points to his tread 2 ' a wear protection layer 9 ' on top of which a PVD topcoat 8th' is deposited. The wear protection layer 9 ' In this example, it is intended to be a nitriding layer having a thickness of 30 μm, while the PVD covering layer 8th' is designed on the basis of CrON. The PVD cover layer 8th' has a layer thickness of 8 microns in this example. Again, as mentioned above, alternative PVD coatings are conceivable. The same applies to the wear protection layer 9 ' , if necessary, galvanically or thermally on the tread 2 ' can be applied.

Die Kombination der scharfkantig ausgebildeten Laufflächenstoßkante 6, 6' in Verbindung mit der dünnen PVD-Deckschicht 8, 8' allein oder in Verbindung mit der ebenfalls gering dimensionierten Verschleißschutzschicht 9' macht es nun möglich, die Größe des Stoßkantenbruches in diesem Bereich zu minimieren bzw. vollkommen auszuschließen, so dass die Ausbruchsicherheit der PVD-Deckschicht 8, 8' bzw. die Rissbildungsneigung der Verschleißschutzschicht 9' gegenüber bisher zum Einsatz gebrachten Verschleißschutzschichten erhöht wird.The combination of the sharp-edged tread edge 6 . 6 ' in conjunction with the thin PVD cover layer 8th . 8th' alone or in conjunction with the likewise low-dimensioned wear protection layer 9 ' now makes it possible to minimize or completely eliminate the size of the impact edge fracture in this area, so that the outbreak safety of the PVD cover layer 8th . 8th' or the tendency of the wear protection layer to crack 9 ' is increased compared to previously used wear protection layers.

Claims (7)

Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2, 2'), eine obere (4, 4') und eine untere Flankenfläche, eine innere Umfangsfläche (3, 3') sowie eine, mit einem definierten Stoßspiel (a) versehene, Stoßöffnung (5) aufweist, wobei der Übergang der Laufflächenstoßkante (6, 6') in die jeweilige Stoßfläche (7, 7') als scharfe Kante ausgebildet und die Lauffläche (2, 2') zumindest bis zur jeweiligen Laufflächenstoßkante (6, 6') mit mindestens einer auf Basis von CrN und/oder CrON ausgebildeten PVD-Deckschicht (8, 8') 0,5–≤ 10 μm versehen ist.Piston ring, with a main body, which has a substantially circumferential tread ( 2 . 2 ' ), an upper ( 4 . 4 ' ) and a lower flank surface, an inner peripheral surface ( 3 . 3 ' ) as well as a shock opening provided with a defined shock clearance (a) ( 5 ), wherein the transition of the tread edge ( 6 . 6 ' ) in the respective impact surface ( 7 . 7 ' ) formed as a sharp edge and the tread ( 2 . 2 ' ) at least until the respective tread edge ( 6 . 6 ' ) with at least one PVD cover layer (based on CrN and / or CrON) ( 8th . 8th' ) 0.5-≤ 10 μm. Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2, 2'), eine obere (4, 4') und eine untere Flankenfläche, eine innere Umfangsfläche (3, 3') sowie eine, mit einem definierten Stoßspiel (a) versehene, Stoßöffnung (5) aufweist, wobei der Übergang der Laufflächenstoßkante (6, 6') in die jeweilige Stoßfläche (7, 7') als scharfe Kante ausgebildet und die Lauffläche (2, 2') zumindest bis zur jeweiligen Laufflächenstoßkante (6, 6') mit mindestens einer auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppen IVb bis VIb des Periodensystems mit oder ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O bestehenden PVD-Deckschicht (8, 8') 0,5–≤ 10 μm versehen ist.Piston ring, with a main body, which has a substantially circumferential tread ( 2 . 2 ' ), an upper ( 4 . 4 ' ) and a lower flank surface, an inner peripheral surface ( 3 . 3 ' ) as well as a shock opening provided with a defined shock clearance (a) ( 5 ), wherein the transition of the tread edge ( 6 . 6 ' ) in the respective impact surface ( 7 . 7 ' ) formed as a sharp edge and the tread ( 2 . 2 ' ) at least until the respective tread edge ( 6 . 6 ' ) having at least one PVD cover layer based on nitrides of the elements of groups IVb to VIb of the Periodic Table with or without the addition of Al and / or Si and / or C and / or O ( 8th . 8th' ) 0.5-≤ 10 μm. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8, 8') als reibungs- und verschleißarme PVD-DLC(diamond-like-carbon)-Schicht ausgebildet ist.Piston ring according to claim 1 or 2, characterized in that the PVD covering layer ( 8th . 8th' ) is designed as a low-friction and low-wear PVD DLC (diamond-like-carbon) layer. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8, 8') eine Schichtdicke von 0,5 bis 8 μm aufweist. Piston ring according to one of claims 1 to 3, characterized in that the PVD covering layer ( 8th . 8th' ) has a layer thickness of 0.5 to 8 microns. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Grau- oder Stahlguss bestehende Grundkörper laufflächenseitig mindestens eine Verschleißschutzschicht (9') aufweist, auf welcher die PVD-Deckschicht (8') abgeschieden ist.Piston ring according to one of claims 1 to 4, characterized in that the body consisting of gray or cast steel running surface side at least one wear protection layer ( 9 ' ), on which the PVD cover layer ( 8th' ) is deposited. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (9') galvanisch, thermisch oder durch Nitrieren auf der Lauffläche (2') aufgebracht ist.Piston ring according to claim 5, characterized in that the wear protection layer ( 9 ' ) galvanically, thermally or by nitriding on the tread ( 2 ' ) is applied. Kolbenring nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (9') eine Dicke ≤ 30 μm aufweist.Piston ring according to claim 5 or 6, characterized in that the wear protection layer ( 9 ' ) has a thickness ≤ 30 microns.
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